現(xiàn)代工業(yè)中氫能源的研究與應(yīng)用

【摘 要】經(jīng)專家研究認(rèn)為，21世紀(jì)中葉，傳統(tǒng)的能源石油和煤炭將逐漸走向枯竭。氫能便是一種既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)的替代產(chǎn)品。本文就氫能的特點(diǎn)、用途、制備技術(shù)以及儲(chǔ)運(yùn)方法都做了詳盡的閳述。

【關(guān)鍵詞】氫能；制備技術(shù)；儲(chǔ)運(yùn)方法

1.氫能的特點(diǎn)與用途

在現(xiàn)代工業(yè)中 ，氫能被公認(rèn)為人類未來的理想能源。氫具有高揮發(fā)性、高能量，是能源載體和燃料；氫不但燃燒放出的熱量多，而且燃燒產(chǎn)物是水，不污染環(huán)境；同時(shí)，氫制備的原料是水資源不受限制。另外，氫氣是活性氣體催化劑，可以與空氣混合方式加入催化燃燒所有固體、液體、氣體燃料。氫能是一種二次能源，它是通過一定的方法利用其它能源制取的。而不像煤、石油和天然氣等可以直接從地下開采，幾乎完全依靠化石燃料?，F(xiàn)代工業(yè)中每年用氫量為5500億立方米，氫氣與其他物質(zhì)一起用來制造氨水和化肥，同時(shí)也應(yīng)用到汽油精煉工藝、玻璃磨光、黃金焊接、氣象氣球探測及食品工業(yè)中。液態(tài)氫可以 作為火箭燃料，因?yàn)闅涞囊夯瘻囟仍?253度c.氫能被提上人類未來能源的議程是大勢所趨。眾所周知，當(dāng)今世界為了解決能源短缺、環(huán)境污染日益嚴(yán)重和經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展等問題，潔凈的新能源和可再生能源的開發(fā)已是迫在眉睫。對我國來說，交通運(yùn)輸?shù)哪芎乃急戎赜鷣碛?。與此同時(shí)，汽車尾氣污染已成為大氣污染特別是城市大氣污染的最重要因素。然而，用氫作為汽車燃料，不僅干凈在低溫下容易發(fā)動(dòng)，而且對發(fā)動(dòng)機(jī)的腐蝕作用小，可延長發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。由于氫氣與空氣能夠均勻混合，完全可省去一般汽車上所用的汽化器，從而可簡化現(xiàn)有汽車的構(gòu)造。更令人感興趣的是，只要在汽油中加入4%的氫氣，用它作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，就可省油40%，而且無需對汽油發(fā)動(dòng)機(jī)作多大的改進(jìn)。

另外，氫能在其它方面也得到廣泛應(yīng)用。近年來由沃克能源公司研究的一種水燃料氫氧機(jī)實(shí)現(xiàn)了在碳鋼領(lǐng)域的應(yīng)用，這種水燃料氫氧機(jī)設(shè)備以水能源產(chǎn)生氫氧燃料，取代了液化氣、丙烷、乙炔燃?xì)?。與乙炔相比，節(jié)省成本40%以上。氫氧焰切割不掛渣，切割速度快10%。氫能作為一種潔凈的再生能源，同時(shí)又具有可儲(chǔ)可輸?shù)奶攸c(diǎn)，從長遠(yuǎn)看，它的發(fā)展可能帶來結(jié)構(gòu)的重大改變，而在目前它是一種理想的低污染或零污染的車用能源。因此，氫能作為解決當(dāng)前人類所面臨困境的新能源，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.氫能的制備技術(shù)

經(jīng)過長期研究，目前我國氫能源的制備技術(shù)有以下幾種類型：化石燃料制氫；電解水制氫；光解水制氫；生物制氫；生物降解及模擬氫化酶制氫。

2.1化石燃料制氫

從含烴的化石燃料中制氫，這是過去及現(xiàn)在采用最多的方法。它是以煤、石油或天然氣等化石燃料作原料來制取氫氣。自從天然氣大規(guī)模開采后，傳統(tǒng)制氫的工業(yè)中有96%都是以天然氣為原料，天然氣和煤都是寶貴的燃料和化工原料，其儲(chǔ)量有限、且制氫過程會(huì)對環(huán)境造成污染，用它們來制氫顯然擺脫不了人們對常規(guī)能源的依賴和對自然環(huán)境的破壞。

2.2電解水制氫

這種方法是基于氫氧可逆反應(yīng)分解水來實(shí)現(xiàn)的。為了提高制氫效率，電解通常在高壓下進(jìn)行，采用的壓力多為3.0-5.0MPa.目前電解效率為50%-70%。由于電解水的效率不高，且需消耗大量的電能，因此利用常規(guī)能源生產(chǎn)的電能來進(jìn)行大規(guī)模的電解水制氫顯然是不合算的。

2.3生物制氫

生物制氫是以生物活性酶為催化劑，利用含氫有機(jī)物和水將生物能和太陽能轉(zhuǎn)化為高能量密度的氫氣。與傳統(tǒng)制氫工業(yè)相比，生物制氫技術(shù)的優(yōu)勢體現(xiàn)在：所使用的原料極為廣泛且成本低廉，完全脫離了常規(guī)的化石原料，可實(shí)現(xiàn)零排放。發(fā)展生物制氫技術(shù)符合國家對環(huán)保和能源發(fā)展的中、長期政策，前景光明。

3.氫的儲(chǔ)運(yùn)

3.1儲(chǔ)氫材料的研究進(jìn)展情況

儲(chǔ)氫材料的開發(fā)是解決氫能應(yīng)用中氫存儲(chǔ)技術(shù)難題的關(guān)鍵。儲(chǔ)氫材料按氫結(jié)合的方式，可分為化學(xué)儲(chǔ)氫（如儲(chǔ)氫合金，配位氫化物，氨基化合物，有機(jī)液體等）和物理儲(chǔ)氫（如碳基材料，金屬有基框架材料MOF等。）

化學(xué)儲(chǔ)氫：（1）儲(chǔ)氫合金材料是指在一定溫度和氫氣壓力下，能可逆的大量吸收、儲(chǔ)存和釋放氫氣的金屬間化合物。由于其儲(chǔ)氫量大、無污染、安全可靠，并且制備技術(shù)和工藝相對成熟，所以是目前應(yīng)用最為廣泛的儲(chǔ)氫材料。儲(chǔ)氫合金主要分為：鎂系A(chǔ)2B型，稀土系A(chǔ)B5型，鈦系A(chǔ)B型和鋯系A(chǔ)B2型四大系列。（2）配位氫化物是以NaAIH4和LiBH4為代表的一系列輕金屬的鋁氫化物和硼氫化物，這類化合物具有很高的理論儲(chǔ)氫容量（LiBH4的理論儲(chǔ)氫量為18wt%），但合成比較困難。值的注意的是u，最近金屬硼氫化物正掀起一陣研究熱潮。（3）氨基化合物儲(chǔ)氫體系是近年來的研究熱點(diǎn)。其中Li-N-H和Li-Mq-N-H體系的制備、性能、反應(yīng)機(jī)理尤為受到關(guān)注。該體系儲(chǔ)氫量高，使用條件相對溫和。許多體系尚未開發(fā)，機(jī)理有待完善，具有開發(fā)的潛力。該體系存在兩大問題：一是低溫下吸放氫動(dòng)力學(xué)性能差，再吸氫溫度過高，可逆性差，一是反應(yīng)過程中NH，是否存在的反應(yīng)機(jī)理問題存在爭議。（4）有機(jī)液體材料儲(chǔ)氫是利用該類物質(zhì)的不飽和鍵與氫原子間，在一定條件下發(fā)生一對互逆反應(yīng)來完成的，即加氫和脫氫反應(yīng)。通過加氫反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氫過程。

物理儲(chǔ)氫：（1）近年來，由于納米材料制備技術(shù)的快速發(fā)展，碳及納米碳儲(chǔ)氫成為儲(chǔ)氫材料的焦點(diǎn)。其中活性碳（AC）以其吸附能力達(dá)、表面活性高、比表面積大、循環(huán)使用壽命長、易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)成為一種獨(dú)特的多功能吸附劑。與其它儲(chǔ)氫技術(shù)相比，超級(jí)活性碳儲(chǔ)氫具有經(jīng)濟(jì)、儲(chǔ)氫量高、解吸快、循環(huán)使用壽命長和容易實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，是一種頗具潛力的儲(chǔ)氫方法。（2）石墨納米纖維是一種截面呈十字型，面積為0.3-5mm，長度10-100m之間的石墨材料，它的儲(chǔ)氫能力取決了其纖維結(jié)構(gòu)的獨(dú)特排布。氫氣在碳納米管中的吸附儲(chǔ)存機(jī)理比較復(fù)雜。根據(jù)吸附過程中吸附質(zhì)與吸附劑分子之間相互作用的區(qū)別，以及吸附質(zhì)狀態(tài)的變化，可分為物理吸附和化學(xué)吸附。碳納米管可以分為單壁碳納米管（SWT）和多壁碳納米管（MWNT）兩種。

3.2儲(chǔ)氫材料的應(yīng)用情況

（1）氫氣的超純凈固態(tài)化儲(chǔ)存與運(yùn)輸：兼有儲(chǔ)存和凈化雙重功能的儲(chǔ)氫器與現(xiàn)行的氫氣鋼瓶一把膜氫凈化器體系相比，具有價(jià)格低、體積小、容量大、操作簡便，不易損壞等優(yōu)點(diǎn)，適用于電子、化工、冶金、氣象等一切需要高純氫的部門。使用液氫槽車貯罐和高壓氫氣瓶運(yùn)輸或存儲(chǔ)氫，不僅昂貴，安全措施要求甚高，而且由于蒸發(fā)和泄漏不宜長期儲(chǔ)存。用儲(chǔ)氫材料作介質(zhì)，使氫氣與儲(chǔ)氫合金化合固態(tài)金屬氫化物來儲(chǔ)存運(yùn)輸氫氣，則可解決長期儲(chǔ)存和安全運(yùn)輸?shù)膯栴}。（2）儲(chǔ)氫合金的吸放氫壓力隨溫度的升高成對數(shù)關(guān)系升高。在常溫下吸入較低壓力的普通氫氣，在較高溫度下則可釋放出高壓高純度氫氣。根據(jù)這一原理，可制成簡有凈化與壓縮雙功能的無運(yùn)動(dòng)件高壓高純氫壓縮器。儲(chǔ)氫材料吸氫時(shí)放出大量熱量，放氫時(shí)則吸收等量的熱量。將兩種吸氫壓力不同的儲(chǔ)氫合金分別置于低溫側(cè)（冷源）和高溫側(cè)（熱源），以氫氣為工質(zhì)，進(jìn)行吸放氫循環(huán)，可制成空調(diào)機(jī)或熱泵。用太陽能或工業(yè)廢熱作高溫?zé)嵩?，不用電力即可在夏季降溫，而在冬季加熱。?）每種儲(chǔ)氫合金都有其恒定的溫度-壓力關(guān)系，溫度的變化可以通過與其成對數(shù)關(guān)系的氫化物壓力的變化而得以檢測。這種熱-壓傳感器敏感度高，探頭容積很小，可用較長導(dǎo)管而不影響測量精度，也無重力效應(yīng)，已在一些國外飛機(jī)上采用。在制備真空時(shí)，將一定量完全氫化的高溫儲(chǔ)氫材料放置于容器內(nèi)加熱，使之放出氫氣，容器內(nèi)的空氣也隨氫排出容器。到一定真空度后，封閉容器，冷卻后儲(chǔ)氫材料將容器中殘留的氫吸回，即可形成較高的真空度。這樣可較大地縮短抽氣時(shí)間，國內(nèi)皆尚未研究。